細菌無處不在，不僅在浴室或廚房的柜臺里，而且在我們的身體里，包括通常微生物群落繁盛的腫瘤。這些“微生態(tài)”可以抓住癌癥藥物治療的關(guān)鍵，多了解它們有助于開發(fā)新的救命療法。
當同一系統(tǒng)中有不同的細菌菌株時會發(fā)生什么？它們共存嗎？最強的能活下來嗎？在用剪刀、石頭和布進行的微生物游戲中，圣地亞哥加州大學生物電路研究所的研究人員找到了一個令人驚訝的答案。他們的發(fā)現(xiàn)名為“大腸桿菌菌株間非傳遞不對稱相互作用中最弱的存活”，發(fā)表在最新版的《自然通訊》上。
研究團隊由生物工程和分子生物學教授杰夫海斯特組成。生物工程研究生邁克爾廖和阿里安娜米亞諾；還有生物工程專業(yè)的本科生阮兒。他們設(shè)計了三種大腸桿菌菌株，這樣每種菌株都能產(chǎn)生一種毒素，這種毒素可以殺死另一種菌株，就像剪刀和石頭布一樣。
當被問及如何進行實驗時，海斯蒂評論道：“在合成生物學中，復(fù)雜的基因回路通常以細菌在混合良好的液體培養(yǎng)物中生長為特征。然而，許多應(yīng)用涉及表面細胞生長的限制。我希望了解當相互作用的物種在更接近細菌可能在人體內(nèi)定居的環(huán)境中生長時，小規(guī)模工程生態(tài)系統(tǒng)的行為?！?
研究人員將三個種群混合在一起，讓它們在一個盤子里生長幾周。當他們回頭看時，他們注意到在許多實驗中，相同的種群會占據(jù)整個表面，但它不是最強的(毒素最有效的菌株)。他們對這一結(jié)果的可能原因感到好奇，于是設(shè)計了一個實驗來揭示游戲中隱藏的動態(tài)。
有兩種假設(shè)：要么中間人口(因為最強的人會攻擊它的壓力而被稱為“最強的敵人”)會贏，要么最弱的人口會贏。他們的實驗表明，令人驚訝的是，第二個假設(shè)是正確的：最弱的人總是接管盤子。
回到剪刀和石頭布的比喻，如果我們假設(shè)大腸桿菌的“石頭”菌株有最強的毒素，它會很快殺死“剪刀”菌株。因為剪刀應(yīng)變是唯一能殺死“紙”應(yīng)變的應(yīng)變，所以紙應(yīng)變現(xiàn)在沒有敵人了。在一段時間內(nèi)，你可以自由而緩慢地吃掉巖株，但巖株無法自衛(wèi)。
為了找出這一現(xiàn)象背后的機制，研究人員還開發(fā)了一個數(shù)學模型，可以從各種模式和密度開始，模擬三個種群之間的戰(zhàn)斗。該模型可以用常見的空間模式(如條紋、孤立簇和同心圓)顯示細菌在各種情況下的行為。只有當應(yīng)變最初以同心環(huán)的形式分布并且在中間最強時，最強的應(yīng)變才有可能接管板。
據(jù)估計，人體內(nèi)的微生物數(shù)量超過人體細胞數(shù)量10比1，有幾種疾病被歸因于各種微生物群落的不平衡。腸道菌群失調(diào)與多種代謝和炎癥疾病、癌癥甚至抑郁癥有關(guān)。設(shè)計能夠長期共存的平衡生態(tài)系統(tǒng)的能力可能會為合成生物學家和新的醫(yī)療保健方法帶來令人興奮的新可能性。海斯特團隊正在進行的研究可能有助于為有朝一日改造健康的合成微生物群奠定基礎(chǔ)，該微生物群可用于輸送活性化合物來治療各種代謝疾病或疾病和腫瘤。
研究副總裁桑德拉布朗(Sandra Brown)表示：“將分子生物學與生物工程技術(shù)相結(jié)合，使得發(fā)現(xiàn)有可能改善全世界人民的健康。如果他們不合作，這個發(fā)現(xiàn)可能永遠不會發(fā)生。這是加州大學圣地亞哥分校多學科研究力量的另一個證明。”
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